雙孔板流量計(jì)原理,安裝,天然氣制氫生產(chǎn)應(yīng)用詳解
孔板流量計(jì)是流量檢測(cè)領(lǐng)域較為傳統(tǒng)的方法，技術(shù)成熟，應(yīng)用行業(yè)廣泛，有較高的可信度，由于目前制造精度的提高，所以無(wú)論在計(jì)量精度、可靠性、維修護(hù)用等方面都比其他計(jì)量器具有其自身的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)氫氣氣體的生產(chǎn)工藝，氫氣計(jì)量的特點(diǎn)，介紹雙孔板在氫氣計(jì)量系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用情況，闡述了氫氣計(jì)量系統(tǒng)中相關(guān)儀表選型原則，通過(guò)孔板的安裝及日常維護(hù)方面，運(yùn)用圖表計(jì)算分析雙孔板在計(jì)量氫氣時(shí)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和雙孔板在運(yùn)行中及項(xiàng)目前期投入上的劣勢(shì); 同時(shí)也對(duì)計(jì)量相關(guān)模式進(jìn)行淺析，不同計(jì)量組合會(huì)對(duì)計(jì)量精度、穩(wěn)定性及成本帶來(lái)很大的影響。
0、引言：
天然氣制氫生產(chǎn)工藝是以天然氣為原料生產(chǎn)氫氣，與水蒸汽進(jìn)行重整反應(yīng)，得氫氣產(chǎn)品，然后通過(guò)管道輸送給客戶(hù)。氫氣相比其他氣體，價(jià)格偏貴，因此氫氣計(jì)量的準(zhǔn)確性不僅關(guān)系著供需雙方進(jìn)行公平的貿(mào)易結(jié)算，還關(guān)系到成本控制，因此整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)受到各方的高度重視。
1、系統(tǒng)方案：
如圖 1 所示，整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)由雙孔板、差壓變送器、壓力變送器、熱電阻、流量積算儀組成。孔板與差壓變送器組合采集差壓信號(hào)，壓力變送器采集壓力信號(hào)與熱電阻采集溫度信號(hào)組合用于溫壓補(bǔ)償，經(jīng)計(jì)算后在流量積算儀中顯示。
兩塊孔板可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要串聯(lián)、并聯(lián)測(cè)量，但同一時(shí)刻只用一塊孔板的數(shù)值用于貿(mào)易結(jié)算。當(dāng)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)兩塊孔板有較大的偏差時(shí)，操作人員會(huì)及時(shí)查看歷史趨勢(shì)，根據(jù)工藝判斷查找出有流量突變的一臺(tái)，及時(shí)送第三方單位進(jìn)行檢定。這種采用雙孔板的計(jì)量方式，雖然在項(xiàng)目建設(shè)初期投入費(fèi)用高一些，但是如果有偏差出現(xiàn)而未及時(shí)進(jìn)行干預(yù)，會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。
1.1、流量計(jì)選型：
流量計(jì)采用孔板流量計(jì)，孔板原理如圖 2 所示。根據(jù)伯努利方程，流體在管道中流動(dòng)，當(dāng)接近阻攔處時(shí)，有一部分流體的勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，在孔板的前入口端面壓力增加; 當(dāng)經(jīng)過(guò)節(jié)流元件時(shí)，流體逐漸收縮，流速升高，壓力***小，所以在孔板上下游兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，流量越大，壓差就越大，孔板即是通過(guò)測(cè)量壓差來(lái)體現(xiàn)流量大小。其基本公式如下:
1.2、溫壓補(bǔ)償：
由于氣體可以壓縮，隨著壓力、溫度的變化，體積也相應(yīng)地發(fā)生變化，因此需將工況下的氣體流量換算成標(biāo)況下的體積流量進(jìn)行計(jì)量，即標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物理大氣壓( 0. 101 325 MPa) 、0 ℃ ( 273. 15 K) 時(shí)的流量，進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，公式如下:
式中: Q實(shí) 為實(shí)際測(cè)量流量; Q設(shè) 為設(shè)計(jì)流量; P實(shí) 為實(shí)測(cè)壓力; P設(shè) 為設(shè)計(jì)壓力; T實(shí) 為實(shí)測(cè)溫度; T設(shè) 為設(shè)計(jì)溫度。
1.3、流量積算儀：
流量積算儀采用浙大中控的 U6-200，IO 模塊能夠處理多種數(shù)據(jù)類(lèi)型，4 ～ 20 mA、1 ～ 5 V、歐姆、開(kāi)關(guān)量和脈沖量輸入以及模擬量、開(kāi)關(guān)量輸出等，還能夠?qū)崿F(xiàn)流量溫壓補(bǔ)償及流量的分段計(jì)量。根據(jù)合同條款規(guī)定，在程序內(nèi)設(shè)置流量分段值，可自動(dòng)生成日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表。操作人員只需要選擇要打印的報(bào)表日期，及日?qǐng)?bào)或月報(bào)即可，不能人為進(jìn)行修改任何數(shù)據(jù)。
2、雙孔板安裝和使用：
儀表的安裝是儀表運(yùn)行的重要部分，孔板對(duì)安裝的要求尤其高，它直接影響計(jì)量的誤差。雙孔板的安裝與單個(gè)孔板相比，要求更加嚴(yán)格。
2. 1、孔板安裝方向:
孔板上下端面裝反，流量會(huì)比實(shí)際流量低，在安裝初期應(yīng)檢查管道流向，在孔板上也有 箭頭標(biāo)識(shí)，箭頭的方向要與介質(zhì)流向一致。在取壓口附近標(biāo)有“+”的一端應(yīng)與流體上游管段連接，標(biāo)有“－”的一端應(yīng)與流體下游管段連接。
2. 2、中心線:
孔板的中心、法蘭中心、管道中心應(yīng)在同一軸線上。
2. 3、直管段長(zhǎng)度：
GB /T 2624. 2-2006 表 3 ( 無(wú)流動(dòng)調(diào)整器情況下孔板與管徑之間所需的直管段) 中對(duì)不同情況下孔板直管段做了詳細(xì)分類(lèi)，在本項(xiàng)目中，采用兩塊孔板 A 和B，由于兩塊孔板上游側(cè)存在的阻流件不同，所以直管段要求也不相同。
根據(jù)孔板計(jì)算書(shū)得出 β 值為 0. 375 72，A 孔板的上游側(cè)為一個(gè)全孔球閥和一個(gè)三通，需要 12D 的直管段; B 孔板的流體質(zhì)量較差，在其上游側(cè)有一個(gè)截止閥和一個(gè) 90°彎頭，一個(gè)三通，共需要 28D 的直管段。
由于現(xiàn)場(chǎng)安裝空間有限，不能滿(mǎn)足 28D 的直管段要求，為了能夠?qū)崿F(xiàn)較好的流體質(zhì)量，使測(cè)量滿(mǎn)足精度要求，因此在孔板前面采用整流器。整流器安裝如圖所示，采用 DANIEL 整流器后，直管段要求從 28D 變17D，解決了現(xiàn)場(chǎng)安裝空間不足的問(wèn)題 。
3、計(jì)量系統(tǒng)模式選擇：
雙孔板計(jì)量與單孔板計(jì)量的不同是選擇的檢測(cè)元件數(shù)量增加一倍，所以除了需要滿(mǎn)足精度要求外，成本及第三方鑒定也是需要著重考慮的問(wèn)題。
計(jì)量系統(tǒng)的整個(gè)環(huán)節(jié)沒(méi)有人工參與，僅僅是利用變送器、熱電阻等相關(guān)設(shè)備實(shí)時(shí)檢測(cè)所涉及的各參數(shù)，通過(guò)預(yù)設(shè)在流量積算儀軟件的公式或在 PLC 中編程來(lái)計(jì)算流量。隨著技術(shù)的發(fā)展，差壓流量計(jì)的計(jì)量方法眾多，主要可分為以下兩種模式: 檢測(cè)元件 +PLC + HMI，檢測(cè)元件+流量積算儀+工控機(jī)。
檢測(cè)元件可以分為多參量智能變送器與單參變送器。多參量變送器通過(guò)一個(gè)檢測(cè)器將溫度，壓力，差壓同時(shí)檢測(cè)，并在表頭進(jìn)行顯示。一般應(yīng)用于沒(méi)有分段計(jì)量的模式，結(jié)算的依據(jù)僅僅是流量的累積值，每月約定某一時(shí)間甲乙雙方共同讀取數(shù)值。優(yōu)點(diǎn)是第三方鑒定簡(jiǎn)單方便，變送器可以單獨(dú)校驗(yàn)，也可以隨流量計(jì)一起校驗(yàn); 缺點(diǎn)是變送器本身沒(méi)有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能，數(shù)據(jù)則需要送到 HMI 中進(jìn)行存儲(chǔ)，而且累積流量需要將通信協(xié)議由 Modbus485 轉(zhuǎn)換成 Modbus TCP /IP 后傳輸給HMI，硬件成本會(huì)相應(yīng)增加，且數(shù)據(jù)容易丟失。因此，在本項(xiàng)目中沒(méi)有采用多參量變送器。
3. 1、檢測(cè)元件+PLC+工控機(jī)：
檢測(cè)元件將現(xiàn)場(chǎng)壓力、差壓、溫度等信號(hào)送入流量計(jì) PLC 的 AI 模塊，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，在 PLC 內(nèi)進(jìn)行編程后計(jì)算出氫氣瞬時(shí)流量、累積流量，再通過(guò) HMI 進(jìn)行顯示。
這種計(jì)量方式是屬于目前普遍采用的模式，由于溫壓補(bǔ)償是由人工在 PLC 中編程實(shí)現(xiàn)，采用簡(jiǎn)化版溫壓補(bǔ)償公式，有些參數(shù)并沒(méi)有在公式中體現(xiàn)，這些參數(shù)會(huì)對(duì)計(jì)量精度有一些影響。這種模式采用硬件較多，人工參與度較大，可靠性相對(duì)較差，信任度較低; 并且計(jì)量系統(tǒng)需要第三方進(jìn)行鑒定。
3. 2、檢測(cè)元件+流量積算儀+工控機(jī)：
檢測(cè)元件采集到壓力、差壓、溫度后，輸入到流量積算儀數(shù)據(jù)采集卡，由流量積算儀內(nèi)部軟件進(jìn)行溫壓補(bǔ)償后，計(jì)算得出氫氣的瞬時(shí)流量、累積流量等信號(hào)。
流量積算儀的計(jì)算軟件是固化在其 CPU 中，內(nèi)部程序無(wú)法人工更改，操作人員只需在其自帶的觸摸屏上設(shè)置相關(guān)參數(shù)，操作簡(jiǎn)單方便。在流量計(jì)算時(shí)，會(huì)比在 PLC 人工開(kāi)發(fā)程序精度高很多，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性也提高很多。
采用流量積算儀的優(yōu)點(diǎn)在于它除了能夠進(jìn)行流量計(jì)算、溫壓補(bǔ)償以外，還能夠?qū)崿F(xiàn)流量的分段計(jì)量，自動(dòng)生成日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表，減少了在工控機(jī)上人工編程實(shí)現(xiàn)分段計(jì)量所產(chǎn)生的誤差。與傳統(tǒng)的計(jì)量模式相比較，流量計(jì)算及報(bào)表的生成都是在流量積算儀上實(shí)現(xiàn)的，也避免了在 PLC 上編程，工控機(jī)上顯示時(shí)兩設(shè)備時(shí)鐘不同步造成數(shù)據(jù)有差異的問(wèn)題。
隨著自動(dòng)化技術(shù)快速發(fā)展，流量積算儀的功能也日益增強(qiáng)，除了能夠?qū)崿F(xiàn)流量的相關(guān)數(shù)據(jù)處理外，還能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的控制功能，適用于需要計(jì)量且控制回路不多的現(xiàn)場(chǎng)。
4、雙孔板偏差計(jì)算：
如圖 4 所示為孔板運(yùn)行曲線，12 h 內(nèi)平均偏差為 50. 25 Nm3 ，由此可以推算出一年的偏差約為 440 190 Nm3 。
由圖 4 可以看出如果兩塊孔板偏差高出實(shí)際生產(chǎn)需求值時(shí)，會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，需要及時(shí)查找原因，解決問(wèn)題 。
5、雙孔板流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用：
5. 1、雙孔板流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：
1) 孔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;
2) 孔板屬于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，得到國(guó)際組織的認(rèn)可，可以采用幾何測(cè)量法，不需要實(shí)流標(biāo)定;
3) 孔板的壓損相對(duì)較小;
4) 可以與不同廠家的變送器配合使用;
5) 兩塊孔板的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)發(fā)現(xiàn)流量偏差很大時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題 ，避免了經(jīng)濟(jì)損失。
5. 2、雙孔板流量計(jì)的存在的問(wèn)題：
1) 孔板的精度在流量計(jì)中屬于中等水平，很多因素都能影響其精度，在流量小于其量程 30% 時(shí)，尤為突出;
2) 壓力損失大;
3) 測(cè)量范圍窄，量程比小;
4) 有較長(zhǎng)的直管段長(zhǎng)度要求，要求安裝有足夠的空間;
5) 孔板以?xún)?nèi)孔銳角線來(lái)保證精度，對(duì)于腐蝕、磨損、結(jié)垢、臟污敏感，長(zhǎng)期使用精度難以保證，需每年拆下強(qiáng)檢一次;
6) 采用法蘭連接，易產(chǎn)生跑、冒、滴、漏問(wèn)題，大大增加了維護(hù)工作量;
7) 雙孔板流量計(jì)在計(jì)量時(shí)需與客戶(hù)協(xié)商結(jié)算方法，以免引起異議;
8) 成本增加，維護(hù)量增加。
6、總結(jié):
由于計(jì)量站一般為無(wú)人值守站，日常維護(hù)帶來(lái)一定的難度，所以在設(shè)計(jì)計(jì)量方案時(shí)要充分考慮操作、維護(hù)的簡(jiǎn)要性，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，而且要非?？煽?，所以雙孔板能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的目的。
雙孔板流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中并不多見(jiàn)，主要其成本提高而不被廣泛采用。但在貿(mào)易結(jié)算中，***重要的一條原則就是保證計(jì)量精度，無(wú)論偏差是正值還是負(fù)值，對(duì)買(mǎi)賣(mài)雙方來(lái)說(shuō)都是不公平的，所以?xún)蓧K孔板偏差較大時(shí)，應(yīng)及時(shí)分析原因，解決問(wèn)題，避免造成雙方的經(jīng)濟(jì)損失。雖然一次性投入成本較高，但從長(zhǎng)期、穩(wěn)定的運(yùn)行角度來(lái)考慮，會(huì)比單孔板更有效率 。
